0 前言
在煤矿矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井。矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水。因此，排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，排水泵的安全可靠运行对保证矿井安全生产起着非常重要的作用。
目前， 许多矿井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均人工完成，完全依赖于工人的责任心， 也预测不了水位的增长速度，做不到根据水位和其他参数在用电的峰谷期自动开停水泵，这将严重影响煤矿自动化管理水平和经济效益，同时也容易由于人为因素造成安全隐患。
1 控制系统功能设计
针对当前许多煤矿排水泵控制自动化水平不高、主要以人工控制为主，开发出一套以PLC 为核心的井下泵房自动控制系统，主要实现以下功能：
(1)控制功能系统设有手动、半自动和自动3种控制方式。手动控制方式通过就地控制箱实现，操作方法与原来人工控制流程相同，即：开泵时先注水，泵体灌满水后或用真空泵将泵体抽成一定真空度后，启动电机，然后逐渐打开排水阀门，泵组正常工作排水;停泵时先关排水阀门，再停电机。该方式主要用于初期调试和检修时的就地控制。半自动控制方式主要是由人工选择要开启的泵以及泵的台数，开泵、停泵按PLC 设定程序自动完成, 主要用于满足矿方特殊控制要求。自动控制方式完全以PLC 设定程序自动执行一系列操作，完成排水工作，不需要人为干涉，为正常投入使用后的常用模式。
(2)保护功能系统具有故障自诊断功能，对供电电压、电机电流、电机轴承温度、电机定子温度、水泵前后轴承温度、进出口压力等各项参数均有监测。当某项参数异常或超出设定值时，PLC 判断故障并报警，同时停止故障泵组运行，有效保护电机和水泵，有利于故障的及时排除。
(3)实时显示参数信息采用西门子人机界面TP270 (触摸屏) 实时显示灌泵时水泵腔体的真空度，正常运行时单台水泵的流量、主排水管总流量、排水管路压力，电机定子及轴承温度、水泵轴承温度、水位，负载电机的低压开关柜的状态等参数。出现故障时还可显示报警信息。
(4)远程通讯及监控功能通过光缆以及相应信号交换设备， 将井下PLC 与井上工控机相连，采用WINCC 自动化监控软件建立综合自动化网络平台，可实现远程自动、半自动控制，实时显示、记录各泵组运行情况和相关参数， 支持历史数据查询。井下还可装设防爆型网络摄像机，通过光纤将图像传送到地面系统，地面调度中心通过硬盘录像机将画面发送到地面工业电视上。
(5)合理调度除可根据水位自动启动、停止泵组工作外，还可实现根据水位上涨速度控制泵组开启台数;根据水泵的平均备用时间自动轮换水泵的运行; 在满足排水要求保证安全生产的前提下，通过调整开泵时间，避开电力负荷高峰期，有效地削峰填谷，节约电费开支。
2 控制系统结构层次
为实现设计功能，该自动控制系统主要由以下六部分组成：
(1)监控组态软件;
(2)数据采集终端及数据处理系统;
(3)通讯接口及网络传输;
(4)机房设备及电控设备;
(5)信号采集装置;
(6)工业电视监控系统。
整个系统可分为3 个层次： 地面监控主站层;以PLC 为核心的控制及通讯管理层;机械设备层。
2.1 地面监控主站层
主要由工控机、监控组态软件、工业电视监控系统等组成，通过光缆与井下PLC、防爆型网络摄像机连接。工控机通过组态软件可以实时显示由井下PLC 采集并传输的主排水泵的运行参数， 并存储相关记录，操作人员也只需在地面生产指挥中心采用鼠标操作，就可以实现对各泵组的控制;工业电视和硬盘录像机可实时显示、记录井下状况。
2.2 控制及通讯管理层
由PLC 和触摸屏组成的数据采集终端及数据处理系统、电控设备、数据交换设备、信号采集装置等组成。PLC 负责完成信号处理、逻辑判断、故障诊断和参数记忆等功能。通过数据采集模块采集水位信号决定泵是否开启以及开启台数，然后根据选择的控制方式按流程启动泵组，此时数据采集模块将采集供电电源、电机、水泵的各项参数，如：检测开关的带电状态、电机定子温度、轴承温度、泵出水口压力、主排水管流量、水泵前后轴温度等。各参数将在触摸屏上显示，并且通过数据交换设备传输到地面监控主站。控制原理如图1 所示。
2.3 机械设备层
煤矿排水系统主要设备包括电机、水泵、吸水管道、排水管道、管道阀门等。该自动控制系统是基于原煤矿排水系统的设计，只需在原有排水系统设备的基础上进行部分改动。除在电机、水泵和管道上做部分机械结构的改动以满足传感器的安装需要外，主要是对原有排水阀门、注水阀门更换为电动可控阀门;加装为水泵注水的射流泵或为泵抽真空用的真空泵以满足水泵启动的需要。为保证安全性，防止自动控制系统出现故障时不能正常启动泵组排水，不破坏原排水系统结构形式，保留原始人工操作方式。
3 控制系统程序设计
控制系统程序的设计主要基于控制要求和具体控制方案的实现。本系统程序设计包括PLC 程序设计和组态软件程序设计两大部分。
3.1 PLC 程序设计
PLC 程序设计采用STEP 7 软件编制。STEP 7软件是用于西门子S7-300/400 型PLC 创建可编程逻辑程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表进行程序编制。S7 系列PLC 包括一个供电单元、一个CPU， 以及输入和输出模块(I/O 模块)。PLC 应用STEP 7 软件编制的S7 程序监视控制整个系统，并通过地址寻址寻找I/O 模块，实现数据的输入输出。
PLC 编制程序时首先作硬件组态。其主要任务就是在STEP 7 中生成一个与实际硬件系统完全相同的系统,生成网络、网络中各个站的机架和模块,以及设置各硬件组成部分的参数,即给参数赋值。硬件组态确定了输入/输出变量的地址,为编制顺序控制程序打下了基础。
用梯形图在STEP 7 中进行顺序控制程序编程。PLC 上电起动后首先执行内部初始化,然后根据手动、半自动、自动控制的方式选择，进入相应的程序流程。整个程序主要包括运行前水位和供电状态检测、正常启停泵组、运行中参数检测和故障报警、故障停泵等模块，程序流程如图2 所示。STEP 7 软件通过建立在线连接下载程序到PLC 以对编制好的程序进行调试， 可实现程序的运行状态监视、强制性数据变更和输入输出信号的强制开/关等。
3.2 组态软件程序设计
组态软件编程主要用于生成人机交互界面，以便进行实时监控。本系统应用西门子公司的WINCC自动化监控软件进行程序设计，可以生成标准化输入/输出域、棒图、趋势图、光栅和矢量图，且具有动态性能的属性，可进行便捷的过程可视化,并提供集成的消息和报警系统。
编制的人机界面主要有控制画面、参数显示画面及故障报警记录等状态信息，编程框图如图3 所示。操作员可通过触摸屏进行系统的控制方式选择以及各项检测参数的显示，实现了整个控制过程的可视化。并且可以通过通讯同步到地面上位机，实现远程控制与监测。
4 结语
以西门子S7-300 型PLC 为核心的水泵自动控制系统，通过合理的程序设计和对原排水系统的改进，实现了根据水仓水位的高度、水位变化速度及用电避峰填谷原则，自动启动水泵进行排水，减轻工人劳动强度，增强井下排水的可靠性。同时也实现了水泵运行的合理调度，提高设备利用率，节能增效。
自动控制系统采用了技术先进的西门子S7-300 型PLC，性能稳定，故障率低，且具有完备的故障诊断和保护功能， 保留的人工控制方式可在PLC控制系统故障时正常启动水泵。通过西门子触摸屏TP270，可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。系统的通讯功能还可实现远程监控。总之，该系统的使用必将提高煤矿生产的自动化水平，对矿井安全生产具有重要意义。
参考文献：
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